范淑櫻編譯
「汰役鋰離子電池(LiB)」係指在反覆充放電之後，已無法發揮原有性能而從原有用途功成身退的電池，亦包含製造過程中的不良品、產品召回等被回收的製品。目前汰役LiB回收、再利用正在全球興起，過去難以確保獲利的LiB回收相關技術也急速進展，可望朝向商業化推進。而實現此一目標的三個主要技術方向包括：① 儘可能以低成本、低溫進行處理，以減少二氧化碳排放；② 儘可能在不破壞結構的情況下進行拆卸並活用原有組件；③ 除了一般鎳、鈷的回收之外，包含鋰在內的大多數金屬與石墨、樹脂類亦加以回收。
LiB具體回收方法係從LiB粉碎後取得之正負極材料混合而成的粉塊狀黑色物質(Black Mass)中提取各種元素，今後的技術手法則將從過去普遍使用的「乾式製煉」過渡至「濕式製煉」，甚至更進一步朝向「直接回收再利用」的方向發展。
技術革新促使濕式製煉漸成主流
「濕式製煉」主要是以硫酸、鹽酸、硝酸等無機酸溶液做為處理液，將廢電池中欲回收之金屬萃取後再純化回收。但濕式製煉製程較為複雜，且因使用強酸，對於設備腐蝕、廢液處理或氯氣、三氧化硫、氮氧化物等有毒氣體的排放較不易處理，以結果而言，雖然製程溫度較低(100℃以下)，但碳排量較多，且營運成本也比乾式製煉高。為此，過去很少有回收公司選擇濕式製煉做為主要冶煉方法。但近5年來，利用檸檬酸、琥珀酸、天冬氨酸、乳酸、醋酸、蘋果酸等易於使用之有機酸取代硫酸的技術相繼提出，相關課題漸有改善，目前濕式製煉法也漸成主流。
在下一代濕式製煉法中，美國Ascend Elements開發的「Hydro-to-Cathode」技術備受矚目(圖一)。從結論而言，「Hydro-to-Cathode」技術並非從黑色物質(Black Mass)中分離出鎳、錳、鈷等元素，而是以這些混合物直接製備正極活性材料Ni-Mn-Co(NMC)。到目前為止，所有的濕式製煉法皆以硫酸鹽的形式將鎳、錳、鈷等從黑色物質中分離出來，因此，再製新的NMC等正極活性材料時則利用與新金屬材料相同的製程。
圖一、相較新品電極，以次世代濕式製煉再生而成的電極具有更高的性能
然而，鎳、錳、鈷等個別金屬材料與以NMC型態材料的附加價值之間存有很大差異。根據英國伯明罕大學的調查顯示，2019年發售之日產電動車「LEAF」的新品LiB重量約294公斤，售價為6,500～8,500美元，其中電池正極活性材料NMC的價值約4,000美元，但構成它們的鎳、錳、鈷金屬的總價格在400美元以下。一般而言，製作成加工品比銷售原材料更容易提高附加與獲利，LiB的回收再利用亦是如此。
「Hydro-to-Cathode」的概要如下：首先，藉由過濾等方式，從黑色物質中去除石墨等碳材料；接著進行浸漬溶出，但此過程並非以鎳、鈷為對象，目的在於去除銅、鐵、鋁等雜質。此外，透過添加氫氧化鈉(NaOH)使pH呈鹼性，亦可去除殘留的鋁等雜質。
在一項由Ascend Elements與伍斯特理工學院(WPI)、電池製造商A123 Systems、阿貢國家實驗室(ANL)等產官學組成之次世代LiB開發協會USABC(United States Advanced Battery Consortium)發表的論文中指出，為了實現期望的NMC組成，「Hydro-to-Cathode」會在去除雜質後的剩餘材料中，添加新的鎳或錳、鈷的硫酸鹽及碳酸鋰(Li2CO3)，並先後以450℃/9小時、900℃/14小時的條件進行燒結，進而製作出直徑約10 nm的NMC粒子。透過此方式將不再需要個別分離每項金屬，再將其混合製造NMC的原有製程。結果顯示，製程成本約為既有方法的一半，二氧化碳排放量與過往相比也減少了93%。
此外，利用再生NMC製作之LiB電池性能在多方面均大幅超越利用新品NMC的電池。具體而言，使用新品NMC電池的循環壽命為7,600次，而使用再生NMC電池的循環壽命則增加約1.5倍，達到11,600次。此外，充放電率在1C (放電時間1小時)或2C (30分鐘)時呈現幾乎相同的容量密度，而在5C (12分鐘)的高輸出下，新品NMC電池的容量密度是再生NMC電池的1.88倍。
高性能的原因在於與新品NMC相比，再生NMC粒子有較多的多孔質，且粒子中心部位帶有空隙，比表面積較大。此外，再生NMC粒子的楊氏係數比新品NMC小16%，意即再生NMC粒子較為柔軟，即使反覆充放電也不易損壞。Ascend Elements以此研究成果也證明了從汰役電池回收取得的材料並不亞於從礦山來源取得的新材料。
另一方面，東京大學與Panasonic、Prime Planet Energy & Solutions、豐田通商等於2022年1月發表的LiB製程/回收工程再評估共同研究中，亦將著手展開濕式製煉過程中不將---以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。